近室温大磁熵变Gd基块体非晶合金的调控制备及同步辐射结构研究

Gd-based amorphous alloys exhibit larger magnetic entropy change and good thermal stability, with nearly no magnetic hysteresis and heat hysteresis, which are potential for applications in magnetic refrigeration. However, the lower Curie temperature and smaller amorphous forming ability have limited the research and development for the Gd-based bulk amorphous alloys. This project mainly focuses on improving their properties by utilizing synchrotron radiation technology of the microstructure observation, and making breakthrough to increase the near-room-temperature magnetic entropy change. The goal of this project is to develop the Gd-based bulk amorphous magnetic refrigerants with low cost, large near-room-temperature magnetic entropy change. A systematic study of effects of the compositions and the microstructures on the amorphous forming ability, Curie temperature, magnetic entropy change and spin-glass behavior will be performed. An investigation of the relationship between the microstructures and the properties will be also performed to promote the development and applications of amorphous magnetic refrigerants.

Gd基非晶合金具有较大的磁熵变，而且几乎没有磁滞和热滞，同时还有良好的热稳定性，是一类很有应用前景的合金体系，但其较低的居里温度和较小的非晶形成能力严重制约了其研究和发展。本项目以调控Gd基大块非晶合金的综合性能为主线，以微观结构的同步辐射观测为基础，以大幅提高磁熵变为突破，以期探索发现价格低廉、性能稳定、近室温大磁熵变Gd基大块非晶合金磁制冷工质。系统研究Gd基非晶合金组分、微观结构对非晶形成能力、居里温度、磁熵变、自旋玻璃行为的影响及原因；探讨其微观结构与宏观物理性能之间的关系，推动非晶合金磁制冷材料的发展和应用。

Gd基非晶合金具有较大的磁熵变，而且几乎没有磁滞和热滞，同时还有良好的热稳定性，是具有良好应用前景的磁热材料。然而目前已有的Gd基非晶合金居里温度较低，非晶形成能力小，限制了其广泛应用。本项目通过合金成分调控制备了兼具大非晶形成能力和优异磁热效应的稀土基块体非晶合金，利用静态热机械分析仪，高温熔体粘度测试，同步辐射X射线衍射等手段研究稀土基非晶合金的结构，热力学和动力学行为。主要研究成果如下：.1）利用铁磁性元素Fe部分替代Gd基非晶合金中的Co元素，探索制备GdCoAlSiFe系列块体非晶合金。得到直径达6 mm的Gd55Co18Al24Si1Fe2块体非晶合金，以及具有较高居里温度126 K、磁制冷能力达857 Jkg-1的Gd55Co15Al24Si1Fe5块体非晶合金。同时该合金系在低温处显示优异的软磁特性，具有较小的磁滞。.2）通过微量添加类金属元素Si，探索制备兼具大非晶形成能力和优异磁热性能的GdCoAlSi块体非晶合金。并利用同步辐射等技术研究合金的微观结构。.3）通过在三元GdCoAl合金中添加其他稀土组元，探索制备具有明显类自旋玻璃行为和大磁热效应的四元高熵非晶合金。合金表现出明显的类自旋玻璃行为，显示大的磁热效应。.4）制备了具有明显类自旋玻璃行为、大非晶形成能力和优异磁热性能的五元Er20Dy20Co20Al20RE20 (RE = Gd, Tb, Tm)高熵块体非晶合金。其中得到的Er20Dy20Co20Al20Tm20非晶合金在5T外场变化下具有最大磁熵变11.9 J kg-1K-1，Er20Dy20Co20Al20Gd20非晶合金的磁制冷能力达619 J kg-1，均为优异的磁致冷材料。